旋转机械故障诊断-不对中

6.2转子不对中故障诊断•转子不对中故障：指机器在运行状态下，转子与转子之间的连接对中超出正常范围，或者转子轴颈在轴承中的相对位置不良，不能形成良好的油膜和适当的轴承负荷，从而引发机器振动或联轴节、轴承损坏的现象。•旋转机械故障的60%是由转子不对中引起。•引起转子不对中故障的原因有：•①初始安装对中超差；②冷态对中时没有正确估计各个转子中心线的热态升高量，工作时出现主动转子与从动转子动态对中不良；③轴承架热膨胀不均匀；④管道力作用；⑤机壳变形或移位；⑥地基不均匀下沉；⑦基础变形；⑧转子弯曲，同时产生不平衡和不对中故障。6.2转子不对中故障诊断•6.2.1转子不对中故障的特征转子不对中类型1、2、3、4——轴承编号6.2转子不对中故障诊断•转子不对中的故障特征•(1)故障的特征频率为角频率的2倍。•(2)由不对中故障产生的对转子的激励力随转速的升高而加大，因此，高速旋转机械应更加注重转子的对中要求。•(3)激励力与不对中量成正比，随不对中量的增加，激励力呈线性增大。•(4)轴系具有过大的不对中量时，会由于联轴器不符合其运动条件而使转子在运动中产生巨大的附加径向力和附加轴向力，使转子产生异常振动，轴承过早损坏，对转子系统具有较大的破坏性。6.2转子不对中故障诊断•6.2.2联轴节不对中的诊断频率•联轴器的结构种类较多，大型高速旋转机械常用齿式联轴器，中小设备多用固定式刚性联轴器。•（1）平行不对中的振动频率•下图表示两个半联轴节存在平行不对中时的受力情况。图中O1为轴1的旋转中心，O2为轴2的旋转中心，e为两个半联轴节的偏心距，P为连接螺柱在结合处的某一点，w为轴的旋转角速度，wt为P点在偏心方向上的转角。•两半联轴节旋转时，在螺栓力作用下有把偏移的两轴中心拉到一起的趋势。对于某个螺栓上的P点，因为旋转半径PO2PO1螺栓上的拉力使轴1半联轴节旋转半径PO1的金属纤维受压缩，轴2半联轴节旋转半径，PO2的金属纤维受拉伸。6.2转子不对中故障诊断轴1轴2eO1O2PO1O2PweSFyFxFwt6.2转子不对中故障诊断•纤维弹性变形量的计算，可在PO2连线上取一点S，使PO1=PS，因为PO2e，可近似的看作O1S与PO2垂直。则：•如果两半联轴节尺寸和材料相同，则PO1受压缩，PO2受拉伸，两者变形量近似相等，均为：•设联轴节在PO2方向上的刚度为K，则PO2方向上存在一个拉伸力；PO1方向上同样存在一个压缩力。力的大小为：6.2转子不对中故障诊断•F在O1O2方向上的投影就是它在垂直方向上的分力，其值为：•（1）•水平方向上的分力为：•（2）•（1）式中前一项是作用在O1O2之间的拉力，该力不随时间变化，它力图把两个半联轴节的不对中量缩小；后一项与式（2）的分力Fx相同，是随转速而变化的两倍频激振力，也就是联轴节每旋转一周，径向力交变2次，转子径向方向上就有2次力的脉动。6.2转子不对中故障诊断•上述概念简单的理解：•轴1和轴2半联轴节发生平行不对中时，则在不对中方向上有一对用螺钉连接的螺孔，当螺钉拉紧时，一个螺孔的旋转半径受拉伸，另一个受压缩。它们在轴旋转过程中，每转180°，各螺孔旋转半径拉伸和压缩交变一次，作用在半联轴节上的力也交变一次；旋转360°，则力交变2次，使轴在径向方向上产生2倍频振动。6.2转子不对中故障诊断•（2）角度不对中的振动频率•角度不对中意味着两轴的中心线相交成一定角度α，在螺栓拉力作用下两半联轴节中存在一个弯矩，弯矩的作用方向是力图减小两轴中心线的交角。•从联轴节某一点上观察，轴旋转一周，弯矩的作用方向交变一次，弯矩施加于轴的弯曲变形也是每周变化一次，由此引起工频振动。6.2转子不对中故障诊断•对于角度不对中引起轴向振动问题，•假如联轴节上各螺栓在静止状态时初始拉紧力相同，由于角度不对中，两半联轴节上对应的一对螺孔轴向距离不相等。•轴在旋转过程中螺孔距离将发生周期性变化，上侧螺孔原始距离最近的链接螺栓在旋转到下侧时，由于螺孔距离增大，就好承受很大的拉伸力，轴每旋转一周，拉伸力变化一次。如果螺栓不变形，则半联轴节就要带着轴沿轴向攒动一次，引起转子轴向振动，振动频率正是转速频率。6.2转子不对中故障诊断•（3）不对中引起转子不平衡•联轴节不对中，相当于在联轴节上附加一个不平衡质量，会产生类似于质量不平衡一样的振动，尤其是转子悬臂端较长的联轴节，由于不对中引起像不平衡那样的振动现象，可能会表现得十分明显。•质量较小的转子，不对中的联轴节用螺栓拉紧后，转子就被强制弯曲，产生初始变形，转子在工作时就破坏了原始的动平衡状态，产生新的不平衡振动。6.2转子不对中故障诊断转子不对中故障的振动特征序号特征参量故障特征平行不对中角度不对中综合不对中1时域波形1X频与2X频叠加波形1X频与2X频叠加波形1X频与2X频叠加波形2特征频率2X频明显较高2X频明显较高2X频明显较高3常伴频率1X频、高次谐波1X频、高次谐波1X频、高次谐波4振动稳定性稳定稳定稳定5振动方向径向为主径向、轴向均较大径向、轴向均较大6相位特征较稳定较稳定较稳定7轴心轨迹双环椭圆双环椭圆双环椭圆6.2转子不对中故障诊断转子不对中故障原因与治理措施6.2转子不对中故障诊断•【实例1】透平压缩机对中不良•某厂一台透平压缩机组整体布置如图所示。机组年度检修时，除正常检查、调整工作外，还更换了连接压缩机高压缸和低压缸之间的联轴器的连接螺栓，对轴系的转子对中情况进行了调整等。6.2转子不对中故障诊断•检修后启动机组时，透平和压缩机低压缸运行正常，而压缩机高压缸振动较大（在允许范围内）；机组运行一周后压缩机高压缸振动突然加剧，测点4、5的径向振动增大，其中测点5振动值增加两倍，测点6的轴向振动加大，透平和压缩机低压缸的振动无明显变化；机组运行两周后，高压缸测点5的振动值又突然增加一倍，超过设计允许值，振动剧烈，危及生产。6.2转子不对中故障诊断6.2转子不对中故障诊断•压缩机高压缸主要振动特征如下：•(1)连接压缩机高、低压缸之间的联轴器两端振动较大；•(2)测点5的振动波形畸变为基频与倍频的叠加波，频谱中2频谐波具有较大峰值；•(3)轴心轨迹为双椭圆复合轨迹；•(4)轴向振动较大。•诊断意见：压缩机高压缸与低压缸之间转子对中不良，联轴器发生故障，必须紧急停机检修。6.2转子不对中故障诊断•生产验证：检修人员做好准备工作后，操作人员按正常停机处理。根据诊断结论，重点对机组联轴器局部解体检查发现，连接压缩机高压缸与低压缸之间的联轴器（半刚性联轴器）固定法兰与内齿套的连接螺栓已断掉三只。•复查转子对中情况，发现对中严重超差，不对中量大于设计要求16倍。•同时发现连接螺栓的机械加工和热处理工艺不符合要求，螺纹根部应力集中，且热处理后未进行正火处理，金相组织为淬火马氏体，螺栓在拉应力作用下脆性断裂。•根据诊断意见及分析检查结果，重新对中找正高压缸转子，并更换上符合技术要求的连接螺栓，重新启动后，机组运行正常，避免了一次恶性事故。6.2转子不对中故障诊断•【实例2】压缩机组对中不良•（1）故障情况•某化工厂压缩机组如图所示。电动机转速1500r/min，压缩机转速7758r/min。3号测点位移150μm，速度峰值9mm/s，均超过允许值。6.2转子不对中故障诊断•（2）诊断：•3号测点位于齿轮箱顶盖上，由于顶盖不直接压在轴承盖上，而且箱盖刚度不很高，所以传递途径对振动影响较大。为此，将测点调整到轴承座的基座8号测点位置。8号测点的位移和速度频谱图如图所示。8号测点频谱a—位移频谱；b—速度频谱6.2转子不对中故障诊断•由图可知，2×RPM（50Hz）分量幅值很大，甚至超过l×RPM，3×RPM幅值也较大，说明该轴承座振动异常。考虑到8号测点前面有联轴节，故诊断为电机与齿轮箱的联轴节对中不良。•（3）验证：•停机后对联轴节测量发现，对中超差甚大，垂直方向两轴中心偏移达0.15mm，电机中心较高。降低电机中心后开机，3号点位移减为6μm，速度峰值减为3mm/s，其他各点振幅也平均降低25%。8号测点对中以后的位移和速度频谱如图所示，可以看到，2×RPM和3×RPM分量已基本消失。6.2转子不对中故障诊断对中后8号测点频谱a—位移频谱；b—速度频谱